市政工程頂管施工中的沉井結構優化設計

鄭一葦

（中國市政工程西南設計研究總院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

隨著經濟社會的不斷發展，市政工程建設數量和規模不斷增加與擴大，為了不影響地面交通，頂管施工技術應用較多，在這樣的背景下，沉井結構設計得到了迅速的推廣和應用。施工實踐證明，沉井結構設計方案是否科學合理直接關系著項目的進度、效率以及整體的質量。為此，要保證市政工程頂管施工順利進行，需要不斷對沉井結構進行優化[1]。

2 沉井結構概述

沉井結構作為頂管施工過程中的一種臨時性結構，因其自身具備剛度大、整體性好等特點，在市政工程頂管施工中得到了迅速的推廣和應用。在具體使用過程中需要根據工程項目所在區域內的地質、地形條件及地下水位等實際情況采取不同類型的結構設計[2]。

3 案例概況

某市政工程位于某市區繁華地帶，為典型的污水排放管道施工項目。經研究決定，項目使用長度為252 m，半徑為DN1 500 mm 的生活污水排放管道，并預留了1.5%的坡度。其中，上游管道和下游管道全部通過沉井連接在一起，并根據規范和標準要求預留了DN400 mm 的污水管。但是，由于本項目位于河岸邊，土體中的含水量較大，土體的穩定性和安全性無法得到根本保證，需要采取針對性的措施予以解決。

4 沉井結構優化設計

為深入探討市政工程頂管施工中的沉井結構優化設計，本文結合案例圍繞頂管施工沉井結構整體設計思路、沉井壁厚設計、標高設計、頂力計算、環向計算、豎向抗拉計算6 個方面進行深入分析與探討。

4.1 整體設計思路

本項目沉井結構設計需要從以下兩個方面進行：（1）參數控制。從設計角度來看，需要將現有標準作為沉井設計結構參數依據，注重沉井結構設計及下沉穩定性驗算，并保證施工完成的尺寸與標準尺寸之間的偏差控制在20 mm 以內。同時，井壁壁厚不大于-5 mm、+8 mm 的偏差，實際施工完成的保護層與設計保護層的偏差應控制在±5 mm。沉井下沉位置控制是參數控制的關鍵，下沉后位移值與下沉深度之間的比值應小于0.01。（2）因地制宜。在本項目中，受施工條件的影響，在嚴格控制參數的同時，還要根據工程項目的實際情況綜合考慮其他因素。比如，項目所在地為市區繁華地帶，頂管施工需要根據地下管道的分布情況、周邊管線組織和開展施工，并合理控制下沉參數，對沉井制作方法進行優化，為保證作業精度，還要加強參數的偏差控制，由于考慮到降水可能帶來的水土流失問題，具體設計過程中要做好力學參數分析，綜合考慮位移可能性、周圍土體變形等情況，確保沉井結構優化設計的可行性。

4.2 沉井壁厚設計

市政工程頂管施工中沉井結構的應用原理是利用沉井的自重實現下沉，如果沉井井壁厚度不能滿足設計要求，會出現沉井自重不足，無法實現下沉；如果沉井井壁過厚，雖然可以實現下沉作業，卻在一定程度上增加了工程項目的建設成本，造成不必要的資源浪費。因此，在工程項目建設工程中，要對沉井管壁的厚度進行科學合理的設計，從而保證沉井下沉過程的穩定性[1，2]。而在本工程項目的建設過程中，技術人員通過對工程項目實際情況進行分析，決定選擇壁厚為0.55 m、內徑為9 m 的圓形沉井。同時，為了在污水中順利完成取土作業，還要完成對井壁內的排水作業，并科學合理地計算沉井下沉系數及穩定系數，以判斷沉井井壁厚度是否合理。

4.3 標高設計

4.3.1 沉井井頂標高設計

在沉井井頂標高設計中，應當根據工程項目的實際情況，保證沉井井頂設計標高比市政地下水位高出0.5 m，防止和減少沉井在終沉過程中滲入大量地下水。在具體的頂管作業中，設計人員應深入施工現場，認真、仔細地勘察工程項目所在區域的地質、地形條件以及水文情況等。與此同時，在具體的設計過程中，地面標高應當比沉井井頂標高出0.3 m，這樣可以充分保證沉井在下沉作業中施工人員的人身安全。但需要特別注意的是，由于本工程項目在沉井下沉作業中采用的是排水下沉法，盡管取土時施工人員發現井內沒有水，但是沉井下沉時依然會受井外水土荷載的影響，因此，當其下沉至設計標高后應立即對其進行干封底。

4.3.2 刃腳設計

沉井刃腳尺寸應根據沉井的封底、刃腳豎向彎曲受力以及地基承載能力等情況予以綜合考慮，既要滿足混凝土厚度要求，又要綜合考慮沉井刃腳厚度和配筋可以承受的彎矩，還要保證刃腳底部的壓力不超過地基承載能力。為此，在刃腳設計過程中，需要設計人員對刃腳踏面標高和沉井的抗沖刷強度進行準確計算，充分結合沉井其他部位的尺寸，在保證沉井結構抗傾覆和可滑性的基礎上對刃腳踏面標高值進行準確預估。此外，設計人員在具體的設計工作中，還要嚴格遵循相關標準的要求，保證預留的刃腳踏面標高偏差控制在規定范圍內，方便后續施工人員在施工中根據工程項目要求調整刃腳標高。

4.4 環向計算

素混凝土和磚砌體是沉井的常用施工材料。如果沉井的規模不大，可以采用素混凝土圓形井或者磚體沉井。在沉井使用過程中，會受外界荷載的影響導致其截面出現不均勻受壓，究其原因，是素混凝土圓形井或者磚體的沉井直徑較大，容易受周圍地形和地質條件的影響。在沉井下沉作業中，通常還會因為施工人員的失誤以及其他方面客觀因素的影響造成沉井出現下沉傾斜，其兩側出現被動和主動土壓力，所產生的傾斜角度越大，土壓力的差值也就越大。對此，在市政結構頂管工程項目建設工程中，還要對沉井進行準確的環向計算。

4.5 豎向抗拉計算

在頂管施工作業中，對沉井豎向抗拉強度的準確計算是優化沉井結構設計的一個重要環節，特別是在本工程項目施工過程中，由于本項目位于河岸邊，土層含水量較大，土層的穩定性和安全性無法得到保證。為此，應根據沉井結構的設計標準明確沉井結構的豎向抗拉強度。

4.6 頂力計算

根據我國沉井結構設計的相關規范和要求，沉井承受的實際頂力應滿足以下關系：

式中，Ptk為 沉井的實際頂力，kN；ε為折減系數；Epk為沉井刃腳底部處的主動土壓力，kPa；Eak為沉井刃腳底部處被動土壓力,kPa。

沉井井壁后背土體頂力標準值按式（2）計算：

式中，Ftk為沉井井壁后背土體頂力標準值，kN。

將本工程項目在建設過程中計算得出的沉井刃腳底部主動土壓力和被動土的壓力標準值分別帶入公式（1）和式（2），最終計算得出沉井井壁后背土體的頂力標準值。經計算得出實際頂力值Ptk小于設計頂力值Ftk，符合相關標準和要求。

5 沉井結構施工方法及注意事項

5.1 施工方法

在沉井結構施工中，需要施工人員根據工程項目所在區域內的實際情況、地形和地質條件以及水文特點選擇科學合理的沉井結構施工方法。排水下沉法是當前市政結構頂管工程沉井結構施工方法中普遍使用的方法。排水下沉法根據其自身的特點已被應用到滲水量小且排水速度快的砂礫層中，排水下沉法根據工程項目的實際情況可以分為水中取土下沉和水力機沖土下沉兩種。在通常情況下，在沉井下沉過程中，施工人員還需要挖出深度為30～40 cm 的土，再從沉井中部向四周取土，從而保證沉井下沉過程中的安全性與可靠性。此外，挖出來的土應當堆放于遠離沉井10 m 的區域，以減少外部土層對沉井的壓力，保證工程項目建設質量[3，4]。

5.2 注意事項

本項目沉井平面設計圖如圖1 所示。該工作井抗滲等級為P6、混凝土強度為C30，采用HPB300 和HPB400 鋼筋，井壁和底板鋼筋保護層的厚度為35 mm 和40 mm，設計年限為1 年，工作井要求的地基承載力不小于100 kPa，全部機械頂管，禁止人工頂管，在沉井結構的下沉環節，要確保混凝土的強度為100%，對于井外水位，需要確保工作井比地下水位高出1 m 以上，采用不排水下沉方式[5]。

圖1 沉井平面設計圖

減摩措施需要根據工程項目的實際情況合理的選用，具體施工流程如下：墊層→支模→鋼筋綁扎→沉井下半部澆筑→下沉→沉井上半部連接→下沉到位→底板澆筑→頂管施工→檢查井施工→回填檢查井與頂管機間的間隙。

施工企業應做好對工作井尺寸的校準工作，確保頂管環節的最大頂力處于工作井和管材允許的最大頂力范圍內，但不得大于4 000 kN；淤泥不得堆放在工作井的周圍，同時還應做好臨時維護措施；為滿足沉井底板連接需求，應預留雙層φ20 mm@200 mm 插筋于頂管井壁板的凹槽內，并于工作井周邊設置一圈直徑為500 mm，間距為350 mm 的旋噴樁，以此減少由于沉井在施工過程中在成的局部水土流程給周圍建筑物和道路帶來的影響。

6 結語

綜上所述，本文結合實際案例，分析市政工程頂管施工中的沉井結構優化設計方法，為今后沉井結構設計提供更好的設計思路及方案。同時設計過程中需重視結合實際地質、周邊環境等情況，確保沉井設計能在該區域切實可行。